近日，北京信息科技大學(xué)吳潤龍教授團(tuán)隊聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)肖淑敏教授團(tuán)隊、北京大學(xué)王愛民副教授團(tuán)隊和北京航空航天大學(xué)馮麗爽教授團(tuán)隊，成功研制出第二代復(fù)合超透鏡微型化雙光子顯微鏡（Meta-m2PM 2.0），首次實現(xiàn)超透鏡微型化雙光子顯微鏡自由行為小鼠神經(jīng)元高信噪比成像。相關(guān)結(jié)果表明，超透鏡不再只是實驗室概念，而已能支撐高質(zhì)量、動物自然行為條件下的腦功能成像，助力生物醫(yī)學(xué)影像發(fā)展。研究論文《Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals》在《PhotoniX》(5年平均影響因子19.3)在線發(fā)表。

論文上線截圖

微型化雙光子顯微鏡已成為腦科學(xué)研究中，解析自由行為狀態(tài)下動物大腦神經(jīng)元活動的重要工具。當(dāng)前，高性能微型化雙光子顯微鏡已實現(xiàn)高時空分辨率、大視場、多色成像等突破 ^[1-3]。然而，已有的高性能微型化雙光子顯微鏡仍面臨“魚和熊掌不可兼得”的難題——難以兼顧高成像性能與探頭的進(jìn)一步輕量化：其重量普遍大于2g(如FHIRM-TPM重2.15g ^[1]、FHIRM-TPM 2.0重2.45g ^[2]、FHIRM-TPM 3.0重2.6g ^[3]、UCLA 2P Miniscope重約4g ^[4])，因此，難以應(yīng)用到重量敏感的小型動物如鳴鳥、蝙蝠、幼鼠以及小動物的多腦區(qū)觀測中。

超透鏡技術(shù)為突破這一瓶頸提供了可能，其憑借超輕薄、高數(shù)值孔徑、可靈活設(shè)計像差校正等優(yōu)勢，為微型化顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)提供了新思路。但此前基于單一超透鏡設(shè)計的微型化雙光子顯微鏡，難以解決視場受限、軸外像差大的問題，極大地限制了其實際應(yīng)用。

項目團(tuán)隊設(shè)計了“二次成像”的復(fù)合超透鏡架構(gòu)(圖1a, b)，將掃描與聚焦功能解耦，打破了傳統(tǒng)微型化成像架構(gòu)在重量、視場和分辨率之間的平衡枷鎖，為自由活動動物的多腦區(qū)成像提供新方法。

圖1 Meta-m2PM 2.0的結(jié)構(gòu)與設(shè)計：(a) 實現(xiàn)兩級成像系統(tǒng)的復(fù)合超構(gòu)透鏡架構(gòu)示意圖。D為入射激光束直徑；MEMS為微機(jī)電系統(tǒng)；FOVimage為焦平面處的視場；fscan為掃描透鏡的焦距；α為MEMS傾斜角；θ為MEMS雙軸掃描角。(b) Meta-m2PM 2.0探頭組件的外形與光路示意。HC-920為用于920 nm傳輸?shù)目招竟饫w；SFB為柔性光纖束

聯(lián)合團(tuán)隊進(jìn)一步設(shè)計了應(yīng)用于雙光子的偏振不敏感的高深寬比Si₃N₄元胞庫，通過雙層超透鏡物鏡與大角度超透鏡掃描鏡的協(xié)同設(shè)計(圖2a, b)，實現(xiàn) 920nm 激發(fā)光與500-560nm熒光收集的雙波段優(yōu)化，使得物鏡重量降低至傳統(tǒng)微型化物鏡的十分之一，探頭重量僅1.06g(圖2c, d)。新一代復(fù)合超透鏡微型化雙光子顯微鏡實現(xiàn)了多項突破：視場擴(kuò)大至 350×330 µm²，較第一代提升 50 倍以上；中心橫向分辨率達(dá)1.17µm，即便在視場邊緣也能保持80%以上的分辨率；并且，研究團(tuán)隊清晰捕捉到活體小鼠的精細(xì)軸突結(jié)構(gòu)和深度210µm處的神經(jīng)元長時間活動成像(圖2e)。

圖2 超透鏡制備與探頭性能測試：(a) 單個元胞的示意圖。H為高度 (1,500nm)；L為長度 (90–350nm)；P為周期 (400nm)。(b) 制備的超構(gòu)透鏡的掃描電子顯微鏡圖像：(i) 正視圖；(ii) 中心區(qū)域；(iii) 邊緣區(qū)域。(c) 超透鏡物鏡(MO，重0.05 g)與 FHIRM-TPM 3.0-U物鏡(3.0-U，重0.5 g)照片。(d) Meta-m2PM 2.0探頭組件照片。(e) 左圖：頭部固定的Thy1-YFPH轉(zhuǎn)基因小鼠在154 μm深度處M1皮層的結(jié)構(gòu)成像。右圖：在210 μm深度處，表達(dá)GCaMP6f 的小鼠M1皮層神經(jīng)元鈣成像

在自由行為小鼠腦成像實驗中，研究團(tuán)隊穩(wěn)定追蹤百余個神經(jīng)元的鈣活動，實現(xiàn)了信噪比達(dá)7.6，且可長期追蹤同一批神經(jīng)元(圖3 a-c)。得益于1.06g 的超輕探頭設(shè)計，相比過去的微型化雙光子顯微鏡，Meta-m2PM 2.0的慣性效應(yīng)大幅降低，穩(wěn)定性提升：在短期穩(wěn)定性測試中90%的視場位移小于5 µm，跨天長期觀測時位移不超過10 µm(圖3d, e)。

圖3應(yīng)用Meta-m2PM 2.0自由活動小鼠的鈣成像：(a) 左：佩戴Meta-m2PM 2.0小鼠的照片；右：12分鐘小鼠運動軌跡。(b) 左：在自由活動小鼠M1皮層190μm深度圖像；右：122個神經(jīng)元的分割圖。(c) 12分鐘記錄期間神經(jīng)元鈣瞬變的信噪比(SNR)。 (d) 不同天數(shù)對M1皮層相同視場進(jìn)行成像，圓圈標(biāo)示在不同實驗中重復(fù)識別到的部分相同神經(jīng)元。(e) 成像的短期與長期穩(wěn)定性。左：三只小鼠在開放場自由探索條件下進(jìn)行的8次實驗(每次>600s)中，x與 y方向視場位移的短期穩(wěn)定性分析；右：對應(yīng)于(d)中實驗的長期視場位移

該研究成果通過將復(fù)合超透鏡技術(shù)與微型化雙光子顯微成像技術(shù)深度融合，成功同時實現(xiàn)超輕重量、大視場、深層皮層與高分辨率的突破。將超透鏡技術(shù)進(jìn)一步實用化，首次實現(xiàn)超透鏡微型化雙光子顯微鏡自由行為動物大腦功能成像。

未來，超透鏡技術(shù)研究將進(jìn)一步拓展至自由行為多色成像、多腦區(qū)同步觀測、跨物種(蝙蝠、鳥類、幼年嚙齒類)研究等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解析中，有望在腦認(rèn)知原理解析、腦疾病早期診斷、神經(jīng)藥物評估等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

該論文第一作者為北京航空航天大學(xué)與北京信息科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的郝澤宇和哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)張堯；共同通訊作者為北京信息科技大學(xué)吳潤龍教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)肖淑敏教授、北京大學(xué)王愛民副教授。吳潤龍教授負(fù)責(zé)研究項目的整體構(gòu)思，主導(dǎo)核心光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與搭建；肖淑敏教授指導(dǎo)超透鏡的設(shè)計與優(yōu)化；王愛民教授為生物成像實驗提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。本項目獲得 2030 “腦科學(xué)與類腦研究” 重大項目、生物醫(yī)學(xué)成像北京實驗室、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究項目等經(jīng)費支持。

【原文鏈接】

Hao, Z., Zhang, Y., Zhu, Y. et al. Compound metalens-based miniature two-photon microscope for large-FOV imaging in freely behaving animals. PhotoniX 6, 57 (2025). https://doi.org/10.1186/s43074-025-00218-y

【參考文獻(xiàn)】

1. Zong W, Wu R, Li M, Hu Y, Li Y, Li J, et al. Fast high-resolution miniature two-photon microscopy for brain imaging in freely behaving mice. Nat Methods. 2017;14(7):713–9.

2. Zong W, Wu R, Chen S, Wu J, Wang H, Zhao Z, et al. Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane and long-term brain imaging. Nat Methods. 2021;18(1):46–9.

3. Wu R, Zhao C, Qiu S, Zhu Y, Zhang L, Fu Q, et al. A versatile miniature two-photon microscope enabling multicolor deep-brain imaging. Nat Methods. 2025;22:1935-1943.

4. Madruga BA, Dorian CC, Yang L, Sehgal M, Silva AJ, Shtrahman M, et al. Open-source, high performance miniature 2-photon microscopy systems for freely behaving animals. Nat Commun. 2025;16(1):7125.